расчет величины отклонения консольной балки интегрального

УДК 621.382.8(075)
ЛЫСЕНКО И.Е.
РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ ОТКЛОНЕНИЯ КОНСОЛЬНОЙ БАЛКИ
ИНТЕГРАЛЬНОГО ЕМКОСТНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА
Таганрогский государственный радиотехнический университет, 347928, Таганрог, ГСП-17а, пер.
Некрасовский,44, кафедра КЭС, тел.: (86344) 61767, e-mail: fep@tsure.ru
В настоящее время в развитии устройств микроэлектромеханических систем
(МЭМС) прослеживается тенденция размещения на одном кристалле, помимо
логических устройств, сенсорных и исполнительных элементов, информирующие
систему о внешнем давлении, магнитном поле, температуре, ускорении и пр.
В данной работе рассмотрены технологические аспекты изготовления
интегрального емкостного акселерометра, а также проведен расчет величины
отклонения консольной балки, выполненной из четырех различных материалов
(кремний (Si), карбид кремния (3C-SiC), поликремний (poly Si) и нитрид кремния
(Si3N4)), при воздействии ускорения.
В качестве чувствительного элемента в рассматриваемом емкостном
акселерометре используется металлизированная консольная балка, образующая
конденсатор со срытым p+-слоем [1].
При перемещении акселерометра перпендикулярно поверхности кристалла
происходит перемещение консольной балки. Величина отклонение консольной
балки интегрального емкостного акселерометра при воздействии ускорения
определяется по формуле [2]:
Y =
3 ρ l4
⋅ ⋅
⋅a,
2 E t2
где ρ – плотность материала балки; Е – модуль Юнга; l – длина балки;
t – толщина балки; а – ускорение.
На рис.1-4 приведены результаты расчета величины отклонения консольной
балки емкостного акселерометра в зависимости от ускорения и материала балки,
при ее толщине t=0.5 мкм.
Как видно из рис.1-4 наибольшая величина отклонения при ускорении у
консольной балки, выполненной из кремния, а наименьшая – консольной балки на
основе SiC. Величину отклонения балок из поликремния и нитрид кремния можно
принять одинаковой.
На основе проведенного расчета можно сделать следующие выводы: при
необходимости
определения
малых
ускорений
целесообразно
использовать
кремниевую консольную балку; применение балок из поликремния и нитрид
кремния определяется технологическими аспектами изготовления интегрального
емкостного акселерометра.
10
10
Y, мкм
Y, мкм
15
5
0
200
100
100
L, мкм
0
200
0 0
а, м/с
2
L, мкм
0 0
50
2
а, м/с
Рис.2.
Балка из карбид кремния
10
10
Y, мкм
Y, мкм
100
100
50
Рис.1.
Балка из кремния
5
0
200
100
100
L, мкм
50
0 0
а, м/с
2
Рис.3.
Балка из поликремния
Работа
5
частично
поддержана
5
0
200
100
100
L, мкм
0 0
50
2
а, м/с
Рис.4.
Балка из нитрид кремния
грантом
Минобразования
РФ
97-5-4.1-4.
1. К.Э. Петерсен «Кремний как механический материала» // ТИИЭР, т.70, №5,
1982.– с. 5-49.
2. Frobenius W.D., Zeitman S.A., White M.H., O’Sullivan D.D., Hamel G.H.
Microminiature Ganged Threshold Accelerometers Compatible with Intergrated
Circuit Technology // IEEE Trans. On Elect. Dev., vol. ED-19, №1, 1972.